城市道路与NEDC工况的制动能量回生率差异分析

张树培，黄 璇，荆哲铖，张 玮

(江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013)



城市道路与NEDC工况的制动能量回生率差异分析

张树培，黄 璇，荆哲铖，张 玮

(江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013)

通过城市道路和NEDC测试工况下再生制动检测试验，对两者的再生制动差异性进行了对比分析。研究结果表明：NEDC测试工况与城市道路工况的再生制动差异性较大，实车道路工况制动强度分布更广，须构建适合的针对再生制动的模态工况。

车辆工程；NEDC；再生制动；测试工况

再生制动是指装有再生制动系统的电动汽车制动时，电动机或发电机在发电模式下工作，将车辆的部分动能转化为电能并储存在能量存储装置中，以实现能量的再生利用的过程[1]。在制动频繁的城市工况下，制动过程消耗能量占整车牵引过程中产生有效能量的30%～60%[2]。与传统汽车相比，配备再生制动系统的电动汽车能够有效地回收原本被摩擦消耗的能量，可降低能耗，且改善车辆的经济性[3]，增加电动汽车的续航里程。

再生制动作为一个对电动汽车节能减排不可缺少的环节，极具有重要性，目前已定型的电动汽车均搭载了再生制动系统。且再生制动系统对汽车的安全性、经济性和舒适性有重要的影响。再生制动的研究和检测国际上还没有一套公认的测试工况，对于这方面的研究主要是采用欧洲NEDC循环工况来代替，而NEDC循环工况是用于传统车型排放与能耗的测试，其能否反映再生制动有待于进一步研究。

笔者通过装有再生制动系统的电动汽车进行了城市道路和NEDC测试工况下再生制动检测两类试验。对比了再生制动的差异性，分析了差异产生的原因，并对再生制动在试车道路中的制动强度分布做了相应的分析。

1 检测平台的搭建

1.1 评价指标的确定

再生制动系统结构形式多样，且具体的结构有所不同，但是各种再生制动系统的原理都是将车辆制动时的动能转化为电能，并给蓄电池充电[4]。通过对再生制动系统结构形式的分析与研究，可将其制动能量传递路线分成三部分，即：驱动车轮-半轴-机械传动装置；电机/发电机-电机/发电机控制器-逆变器；驱动电池。无论对于何种能量传递路径的再生制动系统，均通过上述三部分进行能量传递。

目前对于再生制动的评价指标，常用的有以下几种：制动能量回馈率、能量回收率、回收率、制动能量回收贡献率[5]。再生制动是一个复杂的动态过程，且在此过程中制动能量需要经多个系统转换后才能被回收储存，影响制动能量回收效率的因素和环节较多，因此采用上述指标来评价制动能量回收效率并不能全面且有针对性的对再生制动系统进行评价。例如：制动能量回馈率、能量回收率、回收率都只是片面的考虑了电动机发出的电能占总制动能量或消耗能量的比例，没有涉及再生制动系统具体结构，且缺乏对再生制动过程中能量流的描述。制动能量回收贡献率考虑了再生制动与驱动过程的各方面效率，但只是对电动汽车或混合动力汽车经济性的评价，不是针对再生制动系统的评价。

因此，为全面且有针对性的评价再生制动系统，按照统一的再生制动路线及能量流关系将建立的评价指标分为以下三部分。

1.1.1 驱动车轮-半轴

能量流关系：再生制动时，通过制动力分配控制策略后，制动能量的部分能量由驱动车轮传递到半轴，以机械能的形式存在，这部分能量可以被回生利用，且能够反映再生制动控制策略的性能。定义可回生率(制动过程中半轴回生能量占整车动能变化量的百分比)进行评价。即：

(1)

式中：Et为半轴回生能量，J；Ez为整车动能变化量，J；T为半轴扭矩，N·m；n为半轴转速，r/min；m为整车质量，kg；v0为制动初速度，m/s；v1为制动末速度，m/s。

1.1.2 半轴-机械传动装置-电机/发电机-电机/发电机控制器-逆变器

能量流关系：是将半轴上的机械能通过传动系统及发电系统转化为电能，取决于再生系统的转换效率。定义转化率(制动过程中驱动电池充电能量占半轴回生能量的百分比)进行评价。即：

(2)

式中：Er为驱动电池充电能量，J；U为驱动电池充电电压，V；I为驱动电池充电电流，A。

1.1.3 逆变器-驱动电池

能量流关系：将发出的电能给予驱动电池充电，最终以化学能的形式储存到电池中，即电池的充电效率，与再生制动系统关联不大。而且由于电动汽车或混合动力汽车行驶时驱动电池的SOC(电池电量)是一个动态的变化过程，在客观上对于这部分能量很难准确的检测。电池的充电效率通常取某类储能装置在一定SOC值和温度下的充放电平均能量效率，对于国内大多数锂离子动力电池而言，在常用的SOC值范围(0.2～0.8)内平均能量效率85%～94%，因此没有必要对电池的充电效率进行额外的评价。

1.1.4 驱动车轮-逆变器

能量流关系：再生制动时，通过制动力分配控制策略，制动能量由驱动车轮传递到半轴，经过传动系统及发电系统转化为电能。此路线基本关联了再生制动系统所有子系统，反映再生制动系统整体的制动能量回收效率。定义回生率(制动过程中驱动电池充电能量占整车动能变化量的百分比)进行评价。即：

(3)

1.2 检测参数的确定

根据式(1)～式(3)，需要分别检测车速、制动半轴扭矩及车轮转速(驱动车轮左右两侧)与驱动电池的充电电流及电压，即可得到各个评价指标，同时为了获取不同工况下的再生制动评价指标，还需要检测制动踏板力与整车加速度。

1.3 试验方法

再生制动检测试验主要经过如下5个步骤：试验方法的确定、道路试验路线的设计、试验车辆的确定、试验设备的安装、试验数据采集。

1.3.1 道路试验方法的确定

鉴于试验的实际情况，采用了平均车流统计法进行道路试验，即选择驾驶员驾驶试验用车，在选定的时间段以及按照制定的试验路线随平均车流行驶。该方法操作方便，具备一定的主动性，但需要规划试验路线。

1.3.2 NEDC循环工况试验形式

使用试验台检测制动能量回收效果具有安全、便捷、成本低等特点，而且不受自然条件的影响且试验的重复性好，是未来汽车检测的一个发展方向，本次NEDC循环工况试验选在单轴惯性式底盘测功机进行。

1.3.3 道路试验路线的设计

采用平均车流统计法数据获取方式，那么试验路线的确定将至关重要，需要对道路进行调研。调研的目的是从许多条道路中筛选出代表性的试验路线，这种路线反映了车辆在道路上的空间和时间规律，其结果能够以少量试验获得能够代表全局特征的统计结果。本次试验在天津进行，试验前对天津城市各个道路进行全面的调研，并设计具有普遍性与代表性的试验路线。

1.4 试验数据采集

1.4.1 采样频率的确定

考虑到各传感器频率及所采集的数据量必须能够反映所测参数的需求，确定采集系统的采样频率为10 Hz。

1.4.2 道路试验数据量的确定

从理论上来讲，采集的数据越多，结果越准确。但是当采集的数据量达到一定值后，即使增加数据量，准确性也不会获得很大提高，国外类似试验数据量参阅文献[6-7]。同时由于客观条件的限制，采集的数据量也是有限的。在条件允许的情况下，应尽量多采集数据，其数据处理流程见图1。

图1 数据处理流程Fig.1 Data processing

2 城市道路试验的再生制动检测结果

依照规划路径，使用本项目组开发的“车载式电动汽车及混合动力汽车再生制动检测仪”，对道路试验制动工况的所需指标进行检测，并处理相应结果。

获取再生制动相应指标与制动工况之间的关系曲面，见图2、图3。

图2 可回生率Fig.2 Probable regenerative rate

图3 回生率Fig.3 Regenerative rate

由某电动汽车在天津市区按照指定的路线进行的道路试验中，计算出道路试验的再生制动评价指标的结果：可回生率为35.12%，回生率为26.29%，转化率为78.58%。

3 基于NEDC的再生制动检测结果

底盘测功机NEDC测试循环车速变化曲线如图4。

图4 NEDC循环车速变化曲线Fig.4 NEDC cycles speed change curve

底盘测功机NEDC测试循环再生制动试验结果统计如表1。

表1 NEDC测试循环再生制动试验结果

(续表1)

序号时间间隔/s起—止车速/(km·h-1)电池充电能量/kJ半轴回生能量/kJ整车动能变化量/kJ17971.72—53.7472.2888.72137.441841120.33—0372.07434.321019.85

NEDC测试循环各评价指标计算结果如表2。

表2 NEDC测试循环各评价指标结果

4 城市道路与NEDC测试工况下再生制动差异性分析

4.1 结果分析

天津城市道路与NEDC测试工况下各评价指标误差如表3。

表3 评价指标误差分析

由表3误差分析结果可看出：天津城市道路与NEDC循环工况平均可回生率、回生率的差异较大；而两者的转化率的误差为5.46%，这是由于再生制动系统的转化率只取决于传动系统传递效率及发电系统的效率，这部分效率应为恒定值，因此某电动汽车的转化率应为80%左右。

4.2 原因分析

在道路试验中制动工况较为复杂(图5)，制动强度分布较广。传统车在制动过程中并不影响经济性，因此在针对传统车的NEDC循环中，制动强度较为单一，覆盖面较小。因此道路试验与NEDC循环试验，在制动能量回收的关键参数上有较大的差异。此外，区域道路的交通状况和驾驶者的操作偏差也会对检测结果造成一定的影响。因此天津城市道路与NEDC测试工况下再生制动具有较大的差异。

图5 制动减速度概率分布

装有再生制动系统的电动汽车和混合动力汽车在制动中能量的回收直接影响其经济性。所以NEDC循环工况不能准确反映城市道路的再生制动效果，从而不适合用于再生制动研究与检测的测试工况。

5 结 语

笔者通过大量实车道路试验与NEDC循环工况实验，对针对再生制动回生效果的评价指标做了相应的对比，并进行了偏差分析。分析了产生较大偏差的原因。并提出NEDC不适用于装有再生制动的电动汽车和混合动力汽车再生制动的检测与评价，需要针对再生制动构建适合的模态工况。并获取了实车道路试验中制动强度的概率分布。对修正NEDC下的再生制动检测结果和构建针对再生制动的模态循环工况提供了参考依据。

[1] 王鹏宇.混合动力轿车再生制动系统研究[D].长春:吉林大学,2008. Wang Pengyu.Research on Hybrid Regenerative Braking System[D].Changchun:Jilin University,2008.

[2] Gao Yinmin,Chen Liping,Ehsani M.Investigation of the effectiveness of regenerative braking for EV and HEV [J] .SAE Paper,1999(1):291-296.

[3] 詹迅.轻度混合动力汽车再生制动系统建模与仿真[D].重庆:重庆大学,2005. Zhan Xun.Regenerative Braking System Modeling and Simulation of Mild Hybrid Electric Vehicle[D].Chongqing:Chongqing University,2005.

[4] 巩养宁,杨海波,杨竞.电动汽车制动能量回收与利用[J].客车技术与研究,2006(3):28-29. Gong Yangning,Yang Haibo,Yang Jing.Braking energy recovery and utilization of electric vehicle[J].Bus Technology and Research,2006(3):28-29.

[5] 仇斌,陈全世.电动城市公交车制动能量回收评价方法[J].机械工程学报,2012,48(16):81-84. Qiu Bin,Chen Quanshi.Evaluation method of electric city bus braking energy recovery[J].Journal of Mechanical Engineering,2012,48(16):81-84.

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[7] Swiss Agency for Environment,Forests and Landscape (SAEFL).Real World Dring Cycles for Emission Measurement(final report)[R].Swiss:Artemis and Swiss Cycles,2001.

Difference Analysis of Brake Energy Regeneration Rate between Urban Road Conditions and NEDC

Zhang Shupei, Huang Xuan, Jing Zhecheng,Zhang Wei

(School of Automobile & Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China)

Through regenerative braking tests of urban roads and NEDC test cycles, the two differences of regenerative braking were compared and analyzed. The results show that, the difference of regenerative braking between NEDC test cycle and urban road conditions is large. The real vehicle braking intensity distribution is of a broader condition. A suitable modality for regenerative braking conditions shall be built.

vehicle engineering; NEDC; regenerative braking; test conditions

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.02.28

2013-03-26；

2013-04-26

收稿日期：“863”国家高技术研究发展计划项目(2011AA11A286)；江苏大学高级专业人才科研启动基金项目(13JDG035，13JDG036)

张树培(1979—)，男，江苏徐州人，讲师，博士，主要从事车辆再生制动、传动技术方面的研究。E-mail：zhangsp@ujs.edu.cn。

U467.1+1

A

1674-0696(2015)02-133-04